KR100395272B1 - 플라즈마도핑이온주입프로세스에서도우즈균일성을얻기위한장치 - Google Patents

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Abstract

타겟 물질의 플라즈마 도핑(PLAD) 이온 주입에서 도우즈 균일성을 향상하기 위한 장치가 설명된다. 타겟이 배치된 전극과 타겟에 충분히 근접한 전극 주위에 설치된 개별적인 바이어스 가능한 동심 구조체를 동시에 바이어스하기 위한 수단을 제공함으로써, 전극과 동심 구조체 사이의 바이어스 변화를 조절 가능한 수단과 함께 장치는 PLAD 이온 주입 프로세스 동안 균일한 도우즈 분포를 효과적으로 제공하기 위하여 유도 전계 및 플라즈마 외피 두께와 같은 주입 플라즈마의 형태를 충분히 조절할 수 있다.

Description

플라즈마 도핑 이온 주입 프로세스에서 도우즈 균일성을 얻기 위한 장치{Apparatus for obtaining does uniformity in plasma doping ion implantation processes}
본 발명은 일반적으로 이온 주입에 의한 물질의 도핑 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 플라즈마 도핑(PLAD, PLAsma Doping) 이온 주입 프로세스에서 도우즈 균일성을 얻기 위한 장치에 관한 것이다. 도펀트 도우즈 균일성은 전계 라인의 형태와 캐소드를 가로지르는 외피 두께를 조절하는 어떤 수단을 도입함으로써 양호하게 달성된다.
관련 발명
본 명세서에 기술된 발명은 "플라즈마 투입 이온 주입(Plasma Immersion Ion Implantation(PI3)) 장치"라고 명명된 쉥(Sheng)의 1993년 5월 7일 특허 허여된 미국 특허 제 5,354,381 호와 이 특허의 분할인 발명의 명칭이 "플라즈마 투입 이온 주입(PI3) 방법"인 미국 특허 출원 제 059,036호에 관한 것으로 이들 특허는 본 출원의 양수인에게 양도되었으며 본 명세서에서 참조된다.
발명의 배경
PI3은 물질 자체에 가속 바이어스(수 kV 정도)가 인가되면서 플라즈마원에 직접 놓여지는 물질을 도핑하기 위한 기술이다. 이 기술은 높은 도우즈 레이트(1015/㎠min의 범위)가 저비용의 이온 주입 장비로 낮은 에너지에서 달성될 수 있을 때 종래의 이온 주입 기술에 대한 매력적인 대안이다. 통상 주입될 타겟은 플라즈마내에 직접 놓이며, 주입을 위한 타겟으로 양이온들을 충분히 가속시키기 위해 음전위로 바이어스된다.
플라즈마 도핑(PLAD)의 변형인 콜드 캐소드 플라즈마 투입 이온 주입(C2PI3, Cold Cathode Plasma Immersion ion Implantation)은 전극에 인가된 킬로 볼트 정도의 네가티브 펄스를 이용한다. 이러한 펄스 바이어스는 플라즈마에서 바람직한 도펀트를 함유하는 가스를 전기적으로 절연 파괴시키도록 충분한 전계를 만든다. 플라즈마에 포함된 이온 종들(ion species)로 도핑될 타겟은 전극 표면상에 놓인다. 전극 및 타겟은 함께 시스템의 캐소드를 형성한다. 충분한 네가티브 바이어스를 인가할 때, 캐소드는 전자가 캐소드로부터 방출되고 포지티브 충전된 이온들이 캐소드 주위에 플라즈마 외피를 형성하는 캐소드쪽으로 이끌려질 때 플라즈마를 형성한다. 이온들은 외피를 가로질러 가속되고 이온들이 고체의 타겟 물질에 결합되는 타겟의 표면으로 탄도적으로 주입된다.
마이크로 전자 제조는 단위 면적당 이온들의 균일한 수가 2% 표준 편차(1σ) 통계적 확신 레벨 정도나 그 이하의 균일성으로 타겟을 가로질러 주입되는 것을 필요로 한다. 주입된 이온수의 크기를 이온 도우즈라고 한다. PLAD 프로세스에 있어서, 국부적인 이온 도우즈는 이온들이 전계 라인에 의한 궤도를 따르기 때문에 전계의 형태에 따른다. 전계 라인의 형태가 적어도 부분적으로 인가 바이어스, 전극의 결합구조, 애노드의 결합구조(접지벽과 캐소드를 둘러싸는 진공 용기의 내부구조를 포함), 시스템의 물질, 플라즈마 파라미터 등에 의해서 지배받기 때문에, PLAD 시스템은 매우 복잡하고 비선형의 플라즈마 환경이다. 이러한 복잡성에도 불구하고, 시스템의 거동(도핑 균일성)을 예측하기 위해 필요한 분석을 간단히 하기 위해 일련의 가정들이 사용될 수 있다. 플라즈마 외피 두께는 임계 크기로 한정되는데, 이는 주입이 달성되도록 충분한 에너지를 이온에 부여하기 위해 최상위의 가속전위의 영역을 한정하기 때문이다. 외피 두께의 균일성은 챠일드-랭그뮐러(child-langmuir) 법칙을 통한 도우즈 균일성과 상관이 있다. 외피의 형태 및 크기는 일반적으로 플라즈마가 PLAD 프로세스에서 존재하는 동안 적어도 준정적 방식(quasi-static manner)으로 공간 전하 제한 흐름에 대한 챠일드-랭그뮬러 법칙으로 추정된다. 이러한 근사화는 일반적으로 프로세스 시간 스케일이외피 작용을 지배하는 이온 움직임 시간 스케일과 비교하여 길 때 적용된다. 또한, 플라즈마 외피는 타겟 표면을 가로지르는 진공의 등전위면을 근사적으로 따른다고 가정된다. 플라즈마는 타겟의 표면을 가로질러 균일하다고 더 가정되며, 타겟과 플라즈마는 본질적으로 방위각적으로 대칭인 구성을 포함한다. 이러한 대칭은 전계의 2차원 표현을 가능하게 한다.
상기 가정들은 2차원, 원통(R-Z), 진공 전위 라인을 이용하여 타겟을 가로지르는 외피 두께를 한정하는 것을 정당화한다. 외피 두께의 균일성은 챠일드-랭크뮬러 법칙을 통한 도우즈 균일성과 상관이 있다. 이런식으로 타겟 표면을 가로질러 평평하고 균일한 전계 라인들로 특징지어지는 정자기 환경을 만듦으로써 균일성이 향상되는 것을 수치적으로 예측할 수 있다. 전계라인들이 외피 두께의 스케일과 관련하여 평평하면 외피는 평평한 것으로 고려될 수 있다. 따라서, 균일한 플라즈마 및 방위각적으로 대칭인 시스템의 경우, 이온 플러스가 타겟을 가로질러 균일하게 될 것이다.
도우즈 균일성을 파라미터화하기 위하여, 시트 저항과 도우즈간의 관계가 이용된다. 고도펀트 농도에서의 확산 제한은 인위적으로 균일한 시트 저항을 생성하도록 동작함을 알 수 있다. 이러한 제한에도 불구하고, 시트 저항은 상기 제한 영역 아래에서 도우즈 균일성의 그밖의 다른 적절한 특성을 제공하는데 사용될 수 있다. 특히, 시트 저항의 윤곽 플롯도 도우즈 균일성의 주요한 지시기로서 이용될 수 있다.
비선형 프로세스의 임의의 특성에 내재하는 복잡성으로 인해, PLAD 프로세스도우즈 균일성을 증가시키기 위해서 통상 시행 착오가 행해졌다, 자계를 이용하여 원격으로 플라즈마 균일성을 수정하기 위한 시도가 행해졌으나 실패로 끝났다. 일반적으로, PLAD 이론 주입은 통상 에지 부근에서 현저한 비균일성을 갖는 타겟 표면을 가로질러 반격 방향의 도우즈 분포로 특징 지어진다. 제 1 도는 종래 기술의 PLAD 구조의 전극(20) 상부에 장착된 웨이퍼형 타겟(10)을 가로지르는 전계를 도시한다. 웨이퍼형 타겟 에지(30) 부근에서 강한 에지 효과가 나타날 수 있다. 이러한 웨이퍼형 타겟(10)의 표면을 가로질러 통상적으로 얻어지는 반경 방향의 분포는 제 2 도에 도시한 바와 같이 타겟 표면을 특징짓는 시트 저항 윤곽도에서 쉽게 보여진다. 또 다시, 강한 에지 효과가 주지된다. 이러한 에지 효과는 프로세스 조건, 예를 들어, 인가된 바이어스, 주위 압력 등에 따라 변한다. 이러한 상황을 고려하여 , 본인 발명자들은 다른 복잡한 시스템의 동작을 일반적으로 예측할 수 있는 비교적 단순한 모델을 얻기 위하여 몇 개의 주요한 가정에 기초하여 프로세스의 수치적 모델을 개발하였다, 이 모델에서 얻어진 결과들은 PLAD 이온 주입 프로세스로부터 얻어질 수 있는 도우즈 균일성을 향상하기 위한 수단을 제공함으로써 구조적이고 기능적인 개선을 가져왔다.
발명의 목적
본 발명의 목적은 타겟을 가로지르는 PLAD 도우즈 균일성을 얻기 위하여 캐소드를 가로지르는 전계 라인의 형태와 외피 두께를 조절하기 위한 수단을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 개선된 마이크로 제조 응용을 위해 낮은 에너지로높은 도우즈 레이트를 얻을 수 있는 PLAD 이온 주입 기술에 대한 도우즈 균일성을 향상하기 위한 저렴한 수단을 제공하는 것이다.
발명의 개요
타겟이 전극상에 배치되는 이온 주입 타겟의 표면을 가로질러 반경 방향으로 도우즈 균일성을 얻기 위한 플라즈마 도핑(PLAD) 이온 주입 장치가 설명되며, 이 타겟은 바람직하게 연장하는 에지를 갖는다. 이 장치는 타겟에 아주 근접하게, 양호하게는 타겟의 연장 에지의 전극 부근에 배치된 바이어스 가능한 개별적인 동심 구조체(들)를 이용한다. 이러한 개별적인 바이어스 가능한 동심원 구조체(들)는 타겟 주입 표면 부근에서 유도된 플라즈마 전계의 형태를 조절하기 위하여 전극을 바이어스함과 동시에 독립적으로 조정할 수 있도록 바이어스됨으로써, 타겟을 가로질러 거의 균일한 PLAD 도우즈 분포가 제공된다. 바람직하게, 타겟의 연장 에지 아래에 동심 구조체(들)를 배치함으로써, 타겟 스퍼터 오염(target sputter contamination)의 위험성이 감소된다. 개별적인 바이어스를 동심 구조체(들)에 인가하면 캐소드의 유효 형태가 변화하여 타겟 부근의 전계의 형태가 변경되며, 그에 따라 플라즈마 환경, 예를 들어, 플라즈마 외피 두께가 변경된다. 전극을 바이어스함과 동시에 동심 구조체(들)의 바이어싱을 달성하기 위한 수단은 단일의 고전압 펄스 발생기의 출력을 분할하거나 대응하는 개별적인 펄스 발생기들을 이용하는 전압을 포함한다. 전극과 동심 구조체(들)를 가로지르는 바이어스 변화를 조절할 수 있는 수단을 제공하는 펄스 발생기는 타겟 표면의 PLAD 이온 주입동안 도우즈 균일성을 제어한다.
전술한 바와 같이, 예측할 수는 있지만 단순한 수치 모델이 각종 프로세스 조건에 따라 도우즈 균일성을 향상하기 위한 전위 수정을 식별하기 위한 기대와 함께 본원 발명자에 의해서 개발되었다. 시작점으로서, 각종 전극 구성의 기하학적 모델링이 행해졌다, 일련의 링 구조체 및 링 바이어스가 하나의 구성을 포함하여 모델화되었으며, 여기서 링 표면은 타겟상에서 오염 및 스퍼터링을 최소화하기 위한 노력으로 접지되었다. 접지된 링 구조체를 갖는 구성이 이용되어 이러한 제한의 경우에 있어서 수치적 모델을 유효하게 하였다. 접지 제한에 있어서, 허용할 수 없는 결과와 진정으로 허용할 수 없는 결과를 예측한 모델이 구해졌다. 제 3 도는 전극에 제공되고 동심으로 배치된 링 구조체와 그 아래의 타겟의 연장 에지를 접지하는 것으로부터 예측된 전계를 나타낸다. 이러한 접지는 또한 허용할 수 없는 세기의 에지 효과를 나타내도록 한다. 제 4a 도는 제 3 도의 구성에서, 예를 들어, 접지된 링 구조체에서, 타겟 표면에 대응하는 시트 저항의 윤곽도(5% 윤곽간격)이다. 예측된 바와 같이, 허용할 수 없는 통계적 표준 편차(즉, 38.5%의 1σ값)를 갖는 도우즈 분포가 제 4a 도에서 얻어진다. 그러나, 이러한 제한의 경우(즉, 링 구조체의 접지)를 현실적으로 예측함으로써, 이 결과는 단순화된 수치 모델의 개발로 만들어진 가정이 유효함을 나타낸다.
본 발명에 따르면, 제 5 도에 도시한 바와 같이, 플라즈마에 화학적으로 불활성인 저 스퍼터 계수의 물질로 만들어지는 것이 바람직한 개별적인 바이어스 가능한 링 구조체는 스퍼터 오염의 위험이 적어진 플라즈마 유도전계의 형태를 미세 조정하기 위하여 캐소드 부근, 바람직하게는, 웨이퍼형 타겟의 에지 아래에 배치된다. 링 구조체(40)는 70에서 바이어스되는 전극(60)으로부터 50에서 개별적으로 바이어스된다. 웨이퍼형 타겟(80)은 연장 에지부(90)를 갖는 전극(60)상에 배치된다. 링 구조체(40)는 전극(60) 주위에 동심으로 배치되며 에지부(90) 아래에 배치된 타겟에 충분히 근접하는 것이 바람직하다. 동작시, 바이어스(50, 70)는 개별적으로 조정할 수 있지만, 단일 고전압 펄스 발생기(도시되지 않음)의 출력을 전압 분할함으로써 동시에 발생되어 인가되거나, 대응하는 개별적인 펄스 발생기(여기서는 2개의 방형파 펄스로 도시됨)에 의해 발생되어 인가된다. 링 구조체(40)와 전극(60)사이에서 바이어스 비율을 조절함으로써 미세 튜닝이 제공된다.
제 5 도에 도시한 PLAD 이온 주입 구성을 개별적으로 바이어스한 결과가 에지 효과가 현저히 감소되었음을 보여주는 제 6 도의 2d 전계 표현으로 도시된다. 유사하게, 제 7a 도는 제 5 도의 PLAD 이온 주입 구성에 대응하는 웨이퍼형 타겟의 표면을 가로지르는 시트 저항의 윤곽도이며, 여기서, 향상된 전반적인 도우즈 균일성이 얻어진다. 제 7a 도 및 제 7b 도에서, 웨이퍼형 타겟을 가로지르는 시트 저항은 캐소드의 플라즈마 외피 두께와 전계의 조정가능한 제어를 제공하도록 개별적으로 바이어스될 수 있음으로써 주입된 도펀트의 도우즈 균일성이 제공되는 링형 구조체(들)를 도입함에 따라 달성되는 최소 에지 효과를 갖는 허용할 수 있는 도우즈 균일성을 나타낸다.
본 발명의 최초 실시예에서, 링 구조체를 구성하기 위한 물질로서 알루미늄이 사용되었다. 알루미늄은 명백히 바이어스에서 알루미늄의 높은 스퍼터 수율로서 링에 대한 최적의 물질은 아니지만, 높은 2차 전자 방출 계수는 중대한 문제점들을초래한다. 그러나, 알루미늄은 저렴하고 작업하기 쉬우며, 즉, 본 발명의 실시예에서 축소 원리의 증명을 달성하기 위한 적절한 물질이다. 비정질 실리콘, 실리콘, 비정질 탄소, 순수 탄소, 니켈 및 니켈 클래드 물질과 같은 물질들이 링 구조체 물질로 사용하기 적합하다. 플라즈마 종(plasma species)에 화학적으로 불활성인 저스퍼터링 계수의 도체가 바람직하다. 제 6 도, 제 7a 도 및 제 7b 도의 전형적인 결과가 웨이퍼형 타겟 및 전극에 물리적 또는 전기적으로 접속되지 않는 링 구조가 전출된 바와 같이 도입되어 배치될 때, 전계의 형태와 플라즈마 외피를 미세 튜닝하기 위하여 2개의 구조체에 개별적으로 바이어스하는 것이 가능함으로써, PLAD 이온 주입 프로세스에서 도우즈 균일성이 제공됨을 나타낸다.
본 발명은 본 명세서에서 설정한 특정 실시예에 한정되지 않으며 청구범위 내에 속하는 모든 수정들을 포함한다.
제 1 도는 타겟의 표면을 가로지르는 도우즈 균일성(dose uniformity)의 부족을 나타내는 전극상에 배치된 웨이퍼형 타겟을 가로지르는 모델화된 종래 전계 프로젝션의 2차원도.
제 2 도는 10% 이상의 허용할 수 없는 통계적 표준 편차를 가진 이온 도우즈의 우수한 반경 방향의 분포를 나타내는 제 1 도에 대응하는 웨이퍼형 타겟의 표면을 가로지르는 종래 시트 저항의 윤곽(2% 윤곽 간격)도.
제 3 도는 전극을 에워싸는 링형 구조체가 설치되어 접지된 전극상에 배치된 웨이퍼형 타겟을 가로지르는 모델화된 전계의 2차원도.
제 4a 도는 38.5%의 1σ값을 갖는 허용할 수 없는 통계적 표준 편차를 가진 반경 방향의 이온 도우즈 분포를 나타내는 제 3 도에 대응하는 웨이퍼형 타겟의 표면을 가로지르는 시트 저항의 윤곽(5% 윤곽 간격)도.
제 4b 도는 제 4a 도에 대응하는 웨이퍼형 타겟의 직경을 가로질러 주사된 시트 저항 프로필을 도시하는 도면.
제 5 도는 본 발명에 따른 PLAD 이온 주입을 달성하기 위한 개략 구성도.
제 6 도는 본 발명에 따라 전극을 에워싸는 링형 구조체가 도입되어 개별적으로 바이어스되는 제 5 도의 구조체에 대응하는 전극상에 배치된 웨이퍼형 타겟을 가로지르는 모델화된 전계의 2차원도.
제 7a 도는 타겟 표면을 가로지르는 향상된 도우즈 균일성을 나타내는 2.17%의 1σ값을 갖는 허용할 수 없는 통계적 표준 편차를 가진 제 6 도에 대응하는 웨이퍼형 타겟의 표면을 가로지르는 시트 저항의 윤곽(1% 윤곽 간격)도.
제 7b 도는 제 7a 도에 대응하는 웨이퍼형 타겟의 직경을 가로질러 주사된 시트 저항 프로필을 도시하는 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
40 : 링 구조체 60 :전극
80 : 웨이퍼형 타겟 90 : 예지부

Claims (8)

  1. 플라즈마 도핑(PLAD, PLAsma Doping) 이온 주입을 달성하기 위한 장치에 있어서:
    진공 챔버에 봉입된 전극;
    상기 전극상에 배치된 타겟;
    상기 타겟의 주입 표면에 도펀트 이온들을 갖는 플라즈마를 유지하기 위한 수단;
    상기 타겟에 충분히 근접하면서 상기 전극을 에워싸도록 배열되고 상기 타겟 지지 전극으로부터 전기적으로 분리된 적당한 도전 물질의 동심 구조체 ; 및
    상기 타겟의 상기 PLAD 이온 주입 동안 도우즈 균일성(dose uniformity)을 제공할 수 있는 상기 동심 구조체와 상기 전극간의 조절 가능한 바이어스 변화를 제공하기 위하여 상기 동심 구조체와 상기 전극을 동시에 개별적으로 바이어스하기 위한 수단을 포함하는, 플라즈마 도핑 이온 주입 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 타겟은 상기 전극 위에서 연장하는 에지 영역을 갖는 웨이퍼형이며, 상기 동심 구조체는 상기 웨이퍼형 에지 영역 아래에 배치되는, 플라즈마 도핑 이온 주입 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    개별적으로 바이어스하기 위한 상기 수단은:
    상기 동심 구조체와 상기 전극을 동시에 바이어스하기 위해 전압 분할기를 갖는 펄스 발생기를 더 포함하는, 플라즈마 도핑 이온 주입 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    개별적으로 바이어스하기 위한 상기 수단은:
    상기 전극과 상기 동심 구조체를 동시에 바이어스하기 위한 개별적인 펄스 발생기들을 더 포함하는, 플라즈마 도핑 이온 주입 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    개별적으로 바이어스하기 위한 상기 수단은:
    상기 타겟 표면의 상기 PLAD 이온 주입 동안 도우즈 분포를 조절하기 위하여 상기 전극과 상기 동심 구조체 사이의 상기 조절 가능한 바이어스 변화를 제어하기 위한 수단을 더 포함하는, 플라즈마 도핑 이온 주입 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 동심 구조체는:
    도우즈 분포의 추가 조절 가능성을 제공하기 위하여 상기 동심 구조체의 대응하는 구성 요소들과 상기 전극 사이에서 바이어스 조절을 미세 튜닝하기 위하여개별적으로 바이어스 가능한 복수의 구성 요소들을 더 포함하는, 플라즈마 도핑 이온 주입 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전 물질은 상기 플라즈마종에 대해 화학적으로 불활성인 낮은 스퍼터링 계수 물질인, 플라즈마 도핑 이온 주입 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 도전 물질은 실리콘, 탄소 또는 니켈/니켈 클래드 물질들을 포함하는, 플라즈마 도핑 이온 주입 장치.
KR1019960018988A 1995-06-06 1996-05-31 플라즈마도핑이온주입프로세스에서도우즈균일성을얻기위한장치 KR100395272B1 (ko)

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US469,401 1995-06-06
US08/469,401 US5711812A (en) 1995-06-06 1995-06-06 Apparatus for obtaining dose uniformity in plasma doping (PLAD) ion implantation processes

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